авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Библиотека научных ...»

-- [ Страница 2 ] --

8. Циклический характер формообразования строительных конструк ций полностью соответствует положениям развивающегося научного направления по разработке общей теории развития технических систем, включающей представления о стадиях их «жизненного цикла».

9. В целом рассмотренный процесс создания и развития конструктив ных форм сооружений служит разносторонней иллюстрацией диалектики научно-технического прогресса в области строительных конструкций.

3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЦИПОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 3.1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ КРИТЕРИЕВ РАЗРАБОТКИ И РАЗВИТИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ СООРУЖЕНИЙ евозможно замыкаться только в экстраполяции прове Н ренного практикой применения известных техниче ских решений на более сложные условия возведения и эксплуатации новых объектов. Опасно предлагать и не вполне обоснованные новые технические решения при создании ряда современных ответственных инженерных соору жений, пусть даже, на первый взгляд, и удовлетворяющие техно логическим и социальным заказам инвестиционных программ.

Такие программы, к сожалению, не всегда далеко просчитаны, и, возможно, вытекают из желания получить в кратчайшие сроки сверхвысокие прибыли без тщательного анализа длительных эко логических, экономических и социальных последствий не всегда достаточно безопасной эксплуатации возведенных объектов.

Увеличиваются потребности в проведении квалифицирован ной научно-технической экспертизы проектов строительства сложных инженерных сооружений, для чего необходимо разви тие принципов объективной оценки безопасности и эффективно сти проектных решений с учетом реалий XXI в., в том числе и при реконструкции сооружений. Сложность устройства кон струкций определяется совокупностью требований — технологи ческим и социальным заказами на комплекс потребительских свойств, отвечающих историческому уровню развития страны и цивилизации в целом. Поэтому столь необходима современная, не отстающая от темпов научно-технического прогресса, методо логическая основа для разработки конструктивных форм и для выполнения многосторонней оценки уровня осуществления зака зов на строительную продукцию.

От строительной науки в связи с перечисленными выше об стоятельствами сейчас и далее следует ожидать, в первую оче редь, повышение внимания к методологическим аспектам инже нерного творчества. Необходимы современные подходы, прежде всего, на основе высокопроизводительных компьютерных техно логий, к получению достоверных оценок безопасности и эффек тивности как вариантов создания новых, ещ только проектируе мых сооружений, так и вариантов реконструкции давно интен сивно эксплуатируемых объектов промышленности, энергетики и транспорта для ряда регионов, в особенности, в условиях гло бального изменения климата и подъма уровня мирового океана.

За последнее десятилетие получила обобщение методология формообразования строительных металлических конструкций, выдвинутая академиком Н.П. Мельниковым во второй половине XX века и под его руководством внедрнная ЦНИИПроектсталь конструкция в отечественную практику проектирования ответ ственных сооружений для различных отраслей техники. Н.П.

Мельниковым были сформулированы определенные принципы системы формообразования [95, с. 8]:

«…– Концентрация материалов с минимальным количеством основных несущих элементов каркаса.

– Избирательное комбинированное применение сталей раз личных классов прочности с использованием высокопрочного материала в тех элементах и деталях, которые обеспечивают эко номический эффект для конструкции или сооружения в целом.

– Применение высокопрочной стали в крупнопролетных про тяженных конструкциях и особенно в тех случаях, когда значи тельная часть несущей способности расходуется на поддержание собственного веса.

– Весьма эффективный прием совмещения функций в одной конструктивной форме, например, несущих и ограждающих.

– Применение предварительно напряженных конструкций…».

Новая обобщенная система принципов формообразования строи тельных конструкций разработана и обоснована как совокупность современных методологических подходов к поиску направлений и к оценке результатов выбора новых конструктивных форм в строи тельстве сооружений из разнообразных материалов.

Цель разработки такой системы — сформулировать и обосно вать принципы формообразования для выполнения многокритери ального сопоставительного анализа объектов проектирования на любых стадиях разработки проектной документации, что должно способствовать формированию при проектировании наиболее кон курентоспособного набора вариантов намечаемых технических решений, включающего как известные и имеющие опыт практиче ского применения, так и новые конструктивные формы.

3.2. ПРИНЦИПЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В период 2005—2010 гг. выдвинута и обоснована [109;

161] система 12 логически «ортогональных» (т.е. не вытекающих как следствия из других вводимых принципиальных положений) принципов формообразования строительных конструкций. Прин ципы формообразования — это критерии выбора, критерии при нятия решений при создании сооружения из набора некоторой совокупности конструктивных форм. В этом процессе должны рассматриваться и конкурировать как известные технические ре шения и технологии, так и инновационные разработки. Введены следующие принципы: «безопасности», «самосохранения», «управ ляемости», «композиции конструкционных материалов», «структу рирования», «энергомкости», «объединения технологий», «эконо мичности», «конкуренции», «технологичности», «совмещения функций», «эстетичности».

Первые семь принципов можно признать наиболее важными и интересными непосредственно для выбора инновационных направлений в процессе проектирования и для решения конкрет ных задач разработки конструктивных форм с учетом технологи ческих и экономических возможностей их реализации для кон кретных объектов строительства.

В разные времена, при различных объемах накопленных знаний эти критерии формулируют по-своему, иногда при отсутствии или недостатке квалифицированных кадров проектировщиков или опыта строительства. Но почти всегда решения принимаются в условиях наличия существенных ограничений возможностей об щества и экономики. Более того, следование в строительстве, как и в других видах деятельности, некоторым принципам весьма субъ ективно и нередко носит интуитивный характер. Тем не менее, лучшие сооружения прошлого оказывались удивительно точными по соотношениям и абсолютным значениям генеральных размеров и весьма качественно собранными из строго подогнанных дета лей, что определялось талантом, трудолюбием, принципиально стью, настойчивостью и упорством авторов выдающихся проек тов и их исполнителей.

Многокритериальный анализ характерен для современной ме тодологии описания и исследования сложных систем.

Как отмечал А.И. Яблонский 196;

267 :

«…Сложная система описывается, как правило, при помощи набора сравнительно независимых контекстов, каждый из кото рых дает лишь частичное знание о системе в целом, но полное по отношению к данному контексту».

И там же далее:

«…Представление о многоаспектном описании сложной си стемы является одним из основных методологических принципов современного научного мировоззрения».

В целом рассмотренный процесс формообразования служит разносторонней иллюстрацией диалектики научно-технического прогресса в области строительных конструкций. Диалектика фор мообразования — это, по существу, отрицание известных реше ний, утративших перспективу дальнейшего развития, и их замена (скорее всего, вынужденная) новыми решениями, в наибольшей мере удовлетворяющими определенной совокупности критери ев — принципов формообразования.

Сформулируем принципы формообразования:

Принцип безопасности. Конструктивные формы сооружения должны разрабатываться, проектироваться и осуществляться с такими геометрическими параметрами пролетов, габаритов, про филя, плана, с физико-механическими характеристиками кон струкционных материалов, с включением, возможно, резервных элементов и связей, которые необходимы и достаточны для обес печения экологической и технологической безопасности объекта по отношению:

– к жизни и деятельности людей в зоне влияния сооружения;

– технологическим процессам возведения, эксплуатации, ре монтов, реконструкции и демонтажа сооружения;

– другим техническим системам и природным процессам, об ласти и характеристики неблагоприятного воздействия которых могут в особых случаях включать рассматриваемое сооружение.

Проектирование сооружений или комплексов сооружений для обеспечения их безопасности на стадиях строительства и эксплу атации должно включать разработку систем мониторинга и, при необходимости, систем управления состоянием ответственных несущих и ограждающих конструкций.

Принцип самосохранения. Несущие элементы конструктив ных форм должны обладать определенными ресурсами поглоще ния и рассеивания энергии в процессах своего необратимого де формирования (разрушения) независимо от причин, вызвавших развитие таких процессов. Эти ресурсы обеспечиваются:

– достаточной пластичностью, термостойкостью, огнестойко стью и радиационной стойкостью конструкционных материалов;

– подбором композиции конструкционных материалов;

– конструктивным решением внешних и внутренних связей, соединений, деталей, в том числе устройством переменных или односторонних связей;

– устройством вспомогательных (защитных) элементов с большими ресурсами отражения, поглощения и рассеивания энергии;

– формой несущих элементов, не допускающей опережающую местную потерю устойчивости равновесия их деталей;

– структурой несущих элементов и их деталей, последова тельно придающей разрушению многомасштабный характер с постепенным (замедленным) распространением повреждений от мелких локальных областей на более обширные фрагменты со оружения;

– дублированием ответственных несущих и некоторых вспомо гательных элементов конструктивных форм, а также деталей связей.

Принцип управляемости. Для достижения и сохранения тре буемых эксплуатационных параметров, обеспечения надежности и повышения эффективности использования сооружения в его техническую систему могут включаться специальные несущие и вспомогательные элементы конструктивных форм, а также спе циальное оборудование, обеспечивающее управление при строи тельстве, эксплуатации и реконструкции сооружения:

– напряженно-деформированным состоянием несущих элементов;

– реакциями внутренних и внешних связей;

– кинематикой и физическими свойствами внутренних и внеш них связей;

– геометрией структуры и размерами элементов, их физико техническими характеристиками;

– изменением параметров внешних природных воздействий на сооружение через преобразование конфигурации ряда вспомога тельных элементов и (или) режимов работы специального обору дования;

– интенсивностью постоянных и временных нагрузок и воздей ствий, структурой и скоростями потоков временных нагрузок от транспортных средств, пешеходов, транспортируемых продуктов;

– изменением гидрологических режимов эксплуатации со оружения;

– движением транспорта по пересекаемым и параллельным транспортным коммуникациям.

Принцип композиции конструкционных материалов. Для достижения максимальной эффективности конструктивные фор мы должны включать определенные наборы материалов, приме няемых для создания несущих и вспомогательных элементов.

При этом каждый материал, включаемый в композицию, должен в наименьшей степени проявлять собственные недостатки и в наибольшей — компенсировать недостатки других материалов композиции.

Принцип структурирования. Конструктивная форма должна обладать достаточной по сложности и числу уровней иерархиче ской структурой несущих элементов, чтобы исключать возникно вение каскадных процессов разрушения и не допускать реализа цию общего разрушения макроэлементов структуры или прояв ление форм общей потери устойчивости конструкции, опережающих развитие местных деформаций и локальных форм неустойчивого равновесия несущих элементов. Структурирова ние направлено:

– на обеспечение качественного по точности и минимального по уровню остаточных напряжений изготовления деталей и мон тажных блоков;

– на достижение максимальной простоты транспортировки и высокого качества сборки конструкций;

– на выбор и реальное достижение такой геометрии и такого количества и взаимного расположения элементов конструктивных форм с различными уровнями напряженно-деформированного состояния и комбинациями материалов, которые необходимы для нормальной эксплуатации сооружения.

Принцип энергоемкости. Конструирование должно быть направлено на минимизацию внутренней потенциальной энергии деформации, накапливаемой в сооружении от его собственного веса, усилий регулирования напряженного состояния и внутрен них остаточных напряжений, возникших при изготовлении кон струкций, всеми несущими элементами всех его конструктивных форм в сумме при всех возможных сочетаниях постоянных и временных нагрузок и воздействий.

Принцип объединения технологий. Для наиболее рацио нального применения, особенно в сложных условиях возведения и эксплуатации сооружений, их конструктивные формы целесо образно создавать и развивать, частично или полностью исполь зуя (модифицируя) технические решения несущих и вспомога тельных элементов, относящихся к строительным объектам раз личных классов, при необходимости заимствуя эффективные конструкционные материалы, соответствующие способы изго товления, технологии монтажа, системы контроля качества и ор ганизацию длительной эксплуатации конструкций этих классов.

Аналогично, в интересах развития строительных конструкций, целесообразно применять в них отдельные конструктивные ре шения, конструкционные материалы и технологии из других об ластей техники.

Принцип экономичности. При создании сооружения необ ходимо стремиться к оптимизации по экономическим критериям совокупности его конструктивных форм. Многокритериальная экономическая оптимизация должна совместно рассматривать все этапы создания, проектирования, возведения (с учетом возмож ной очередности ввода) и многофункциональной эксплуатации сооружения.

Задачу оптимизации необходимо решать с учетом сценариев поведения сооружения при его эксплуатации. Такие сценарии должны отражать варианты изменения во времени технических, экономических, природных и социальных условий работы со оружения и его обслуживания.

В алгоритмах оптимизации необходимо увязывать выбор кон струкционных материалов и их распределение в сооружении с достижением согласованного оптимума экономических критериев при различных (прежде всего, нормативных) сценариях эксплуа тации объекта. Функции ограничений в алгоритмах оптимизации технических решений сооружений по экономическим критериям должны отражать работу объектов в составе более сложных тех нических и природно-технических систем.

Следование принципу экономичности должно обеспечивать достаточный уровень экономической безопасности сооружения.

Принцип конкуренции. При выполнении заказа на сооруже ние необходима позитивная многокритериальная конкуренция конструктивных форм. К рассмотрению следует принимать все варианты проектных решений, допустимые по условиям обеспе чения безопасности строительства и эксплуатации, с точностью до степени определенности технического задания на возведение или реконструкцию сооружения.

В каждом конкурирующем варианте должны учитываться и, по возможности полнее, соблюдаться условия интеграции соору жения в более сложные природно-технические системы.

Принцип технологичности. Все несущие и вспомогательные элементы и их детали должны иметь геометрическую форму, от ношения размеров, увязанные допуски, качество материалов, обеспечивающие на этапах изготовления конструкций, их транс портировки, монтажа, эксплуатации, ремонтов, реконструкции применение технологических процессов, наиболее эффективных по безопасности, качеству, производительности и экономичности своего осуществления.

Принцип совмещения функций. При создании сооружений целесообразно отыскивать технические решения, в которых эле менты конструктивных форм в процессах возведения и эксплуа тации объектов способны всегда одновременно или по мере необходимости выполнять несколько конструктивных и техноло гических функций.

Принцип эстетичности. В результате проектирования, стро ительства или реконструкции сооружения должно достигаться органическое единство его архитектурной и конструктивных форм. Внешний и внутренний облик сооружения и его функцио нирование не должны порождать отрицательных эмоций, в худ шем случае оставляя некоторую часть пользователей невоспри имчивой к «языку» архитектуры.

Вместе с тем, притязания архитекторов не должны беспре дельно принижать и, тем более, подрывать все другие принципы формообразования строительных конструкций.

3.3. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Обобщение принципов формообразования строительных кон струкций для оценки результатов создания новых конструктив ных форм в первую очередь опирается на опыт научно исследовательской и проектной деятельности коллектива ЦНИИ Проектстальконструкция (ЦНИИПСК) им. Мельникова [109;

110], а также на успешную реализацию этих проектов на практике на протяжении более чем 125 лет существования института, основан ного академиками В.Г. Шуховым и Н.П. Мельниковым [81;

108].

Достижения ЦНИИПроектстальконструкция базируются на поиске и внедрении в подавляющем числе проектов новых про грессивных технических решений, на их глубоком и разносто роннем расчетном обосновании, на привлечении современных высокопроизводительных технологий заводского изготовления элементов металлоконструкций и монтажа сооружений с обеспе чением долговременной защиты металла от коррозии. Как отме чено в работе [108], на счету института сотни уникальных соору жений, функционирующих и по сей день, — объекты металлургии, энергетики, судостроения, автомобилестроения и космического назначения, башни и мачты, резервуары и газгольдеры, мосты, мо нументы и памятники.

В первую очередь для выдвижения обобщнной системы принципов формообразования был использован опыт разработки творческими коллективами института проектов мостов, включая трубопроводные, — с большими и сверхбольшими пролетами, мостовых переходов большой протяженности, доведенных до уровня серийных специальных сборно-разборных временных мо стов и инженерных механизированных мостов, а также металли ческих (вантовых) башенных градирен (для ТЭЦ и АЭС), козло вых кранов грузоподъемностью до 1000 т пролетами до 120 м (судостроительных и для монтажа конструкций строящихся АЭС), кранов-перегружателей (для ТЭЦ), подкраново-подстропильных ферм каркасов зданий металлургических комбинатов и заводов металлоконструкций, коробчатых подкрановых балок вододели теля в дельте р. Волги, висячего и передвижного рамного вариан тов защитного покрытия для отсыпки глинистого ядра плотины Рогунской ГЭС и других проектов.

Отработка важнейшего в теории формообразования «принци па безопасности» проходила также на основе опыта института и других предприятий в проведении экспертиз проектов строитель ства, реконструкции и эксплуатации различных сооружений (в том числе находившихся в аварийном состоянии), а также в про ведении экспертиз при авариях сооружений, в принятии решений по ликвидации аварий сооружений или по выводу строительных объектов из аварийных состояний, включая разработку конструк ций саркофака для 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС.

Разумеется, возможны и другие «ортогональные», по аналогии с математикой, представления принципов формообразования [89;

95], не обязательно в «двенадцатимерном пространстве», но всегда в форме, доступной для понимания и освоения инженерами строителями. Например, здесь, в отличие от критериев работ [89;

95], не выдвигается как независимый «принцип обеспечения надежности сооружения» из-за его недостаточной конкретности при наличии объективных неопределенностей для новых техниче ских решений, не опирающихся на статистику внедрения. В таких случаях методы математической теории надежности — это лишь «полезные консультанты» проектировщиков и экспертов.

В более широком представлении, далеко выходящем за воз можности вероятностных методов, проблема обеспечения надеж ности строительных конструкций полностью охватывается кри териями принципа безопасности и ряда других изложенных выше принципов формообразования. Для металлических строительных конструкций «расширение» теории надежности за рамки вероят ностных математических моделей наиболее последовательно рас смотрено в работах [78;

107;

134].

Объект исследования в современной теории безопасности, как указывается в [33], фундаментальные закономерности перехода и взаимодействия естественных природных систем, объектов тех ногенной и биологической сферы, социально-экономических структур от нормальных (штатных) к аварийным и катастрофиче ским состояниям: создание научных основ диагностирования, мониторинга, раннего предупреждения и предотвращения аварий и катастроф, построение системы защиты и реабилитации.

Понятия «Авария» и «катастрофа» применительно к сооруже ниям рассмотрены в прил. 2. Выдвинутый выше «принцип без опасности» соответствует представлению о многосторонности взаимосвязи понятий «безопасность» и «системность» [129]. В этой работе предлагается объект, рассматриваемый в качестве системы, представлять в виде пяти взаимосвязанных «топик»:

совокупности процессов, совокупности структур, обеспечиваю щих и поддерживающих протекание упомянутых процессов, наборов функциональных связей между элементами структур, материала, наполняющего структуры, организованности матери ала, возникающего под действием протекающих процессов».

Обеспечение безопасности технической системы сооружения в полном объеме включает требования к надежности самой си стемы и одновременно охватывает ее взаимодействие с другими системами, экологическими и техническими, например, с систе мами, условно называемыми здесь: «транспортные средства — пассажиры — пешеходы», «подвижной состав — транспортируе мые продукты (грузы)», «ГЭС — водохранилище — судоход ство», «взрывоопасное предприятие», «магистральный трубопро вод», «линия электропередачи», «теплотрасса» и т.п.

Понятие «безопасность» по отношению к сооружению шире понятия «надежность», поскольку второе есть внутреннее свой ство сложной технической системы, определяемое «устойчиво стью качества системы по отношению ко всем возможным воз мущениям» и включает такие свойства (можно сказать «потре бительские свойства») как «безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или любое сочетание этих свойств» (В.В. Болотин, [29]). Часть из рассматриваемых прин ципов формообразования растворяет в себе те или иные стороны понятия «надежность» из этого определения.

«Принцип безопасности» обычно, но не всегда в полном объ еме, проявляется, используется и реализуется при экспертизах проектов, в нормативных документах по строительству, эксплуа тации, обследованию и испытаниям сооружений. Для сооруже ний в части обеспечения безопасности их строительства и экс плуатации наиболее недоработанным звеном в существующих отечественных нормах представляется недостаточно развитый системный подход к структуре и организации мониторинга объ ектов строительства на всех этапах их «жизненного цикла».

В действительности, нормы проектирования, опирающиеся на опыт создания предшествующих конструктивных форм и исполь зующие вероятностный базис, не имеющий исчерпывающего обоснования [20;

29], могут служить лишь полезным стартовым ориентиром для выдвижения и внедрения в строительство новых технических идей. В работе [20] отмечается, что сооружения как сложные технические системы проектируются с принятыми в строительстве вероятностями отказов от 10–3 для предельных со стояний, не опасных для жизни людей, и до 10–5-10–6 — для пре дельных состояний с катастрофическими последствиями, вклю чая жертвы. Однако определение столь малых вероятностей тре бует экстраполяции статистических свойств, известных лишь для центральных зон распределения случайных величин. Выход из тупика в применении теории надежности при проектировании сооружений с новыми конструктивными формами возможен, по видимому, в расширении исследований по имитационному моде лированию поведения конструкций в эксплуатационных и экс тремальных условиях. Одним из примеров такого подхода могут служить имитационные нелинейные математические модели многоболтовых фрикционных соединений строительных метал локонструкций, сочетающие как данные стандартной статистики, так и результаты экспериментов с физическими моделями таких соединений [37;

63].

Чем больше циклов своего развития проходит конструктивная форма, тем больше возможностей применения для е совершен ствования с позиций обеспечения безопасности получают веро ятностные критерии надежности, тем проще становится ее проек тировать, нормировать долговечность и анализировать поведение в процессе эксплуатации [152].

Начало XXI в. продемонстрировало рядом природных и тех ногенных катастроф и чудовищными актами международного терроризма необходимость дальнейшего развития теории соору жений для решения новых задач расчета и конструирования объ ектов с учетом высокоинтенсивных природных и техногенных воздействий. «Принцип безопасности», как и «принцип самосо хранения», могут быть в полной мере реализованы только в про цессе дальнейшего развития механики разрушения конструкций как исключительно актуального раздела современной теории со оружений [30;

31;

47;

100;

161].

Соблюдение требований нормативных документов является скорее юридической, чем фактической гарантией безопасности сооружения с новыми конструктивными формами. Нормативные (законодательные) документы общегосударственного уровня ти па общих и специальных «технических регламентов» и «техниче ские стандарты» определяют нормативно-правовой и минималь но необходимый нормативно-технический набор требований обеспечения безопасности, предъявляемых к объектам проекти рования. Достаточность реально применяемого нормативно технического подхода к созданию безопасных (в техническом, экологическом и экономическом смыслах) сооружений должна доказываться на основе применения «принципа конкуренции»

вариантным проектированием, экспертизами и конкурсами раз личных уровней.

Выдвинутый «принцип безопасности» для вновь возводимых, эксплуатируемых и реконструированных сооружений в полной мере направлен на обеспечение экологической безопасности и охраны окружающей среды.

Следствием «принципа безопасности» можно признать поло жение о том, что обоснование безопасности сложных объектов требует вынужденных затрат и дополнительных ресурсов на начальных циклах формообразования и на первых этапах каждо го цикла для моделирования сценариев отказов, а также на иссле дования в рамках мониторинга реального поведения системы возводимого или уже сданного в эксплуатацию сооружения, в том числе для опытных объектов и при экспериментальном ха рактере строительства.

Конструктивные формы, первоначально полностью удовле творяющие «принципу безопасности» и принадлежащие нор мально эксплуатируемому сооружению, со временем могут ока заться ненадежными вследствие действия комплекса причин, возможно, даже чисто внешних, но, как правило, не без проявле ния внутренних факторов, ранее скрытых или вновь возникших.

В таких случаях объект будет иметь стопроцентную вероятность отказа или даже во много раз меньшую, но все-таки превышаю щую нормативную. Выявление предаварийных ситуаций — серь езная и актуальная проблема, решение которой следует искать в мониторинге процесса эксплуатации сооружений, прежде всего, в применении современных неразрушающих методов физических измерений состояния материалов и эффективных приемов кон троля геометрии и деформаций несущих элементов конструктив ных форм.

Еще одной проблемой при внедрении новых конструктивных форм является нормирование сроков службы сооружений. Такие «нормативы» имеют смысл только как рекомендации. Однако в XXI в. уже имеется принципиальная возможность рассмотреть несколько вполне вероятных, «конкурентоспособных» сценариев эксплуатации объекта и на основе имитационного моделирования «проникнуть» в его будущее и оценить временной ресурс эксплу атации сооружения.

Косвенно неопределенности отдаленных этапов эксплуатации строительных конструкций учитываются в СНиП коэффициента ми условий работы, коэффициентами надежности по нагрузкам и воздействиям, коэффициентами общей работы конструкций и т.п.

В этом отношении особенно болезненно протекает внедрение но вых конструктивных форм. Очень важно и полезно применение «масштабного» подхода, при котором первоначально проектиру ется и возводится объект (а еще лучше объекты), в котором не форсируются максимальные параметры пролетов и режимы экс плуатации, намечаемые для новой конструктивной формы на верхних пределах ее теоретически предсказанных возможностей.

Опытные проектировщики с большим «искусством» оставля ют, не всегда находя «оправдание» в действующих нормах и в современных «специальных технических условиях», резервы не сущей способности проектируемых объектов или даже только возможности такие резервы обеспечить в будущем, особенно для уникальных объектов. «Профессионалы» проектирования спо собны оснащать намечаемые к реализации в проекте конструк тивные формы такими деталями несущих или вспомогательных элементов, которые могут обеспечить в перспективе расширение габаритов, смену вида или класса временной нагрузки, установку дополнительных элементов и связей. Делается это «ради буду щих перспектив» и иногда с «молчаливого одобрения» заказчика, рискующего некоторым увеличением капитальных затрат. В дру гих случаях, вследствие недостаточной компетентности заказчи ка и недоработок экспертов, резерв остается нераскрытым на долгие годы. Самый неприятный вариант — это недооценка опасности формально оставаться исключительно строго в рамках полученного задания, не понимая или отказываясь осмыслить и официально обсудить его возможную (или вскрывшуюся при проектировании) неполноту или даже недостоверность. Совре менные примеры такой недооценки можно обнаружить в некото рых осуществленных проектах городских транспортных развязок в Московском мегаполисе и в других регионах России.

Ещ опаснее волюнтаризм в изменении проектных решений самими проектировщиками в интересах заказчика, нередко про водимый даже без рассмотрения модифицированных решений государственной экспертизой.

Более сложным техническим и экономическим вопросом можно считать всегда актуальное направленное создание соору жений, «подготовленных» своей структурой к осуществлению в отдаленной перспективе наиболее экономичных проектов неиз бежной реконструкции.

В связи с наблюдаемыми эффектами глобального изменения климата целесообразно более внимательно относиться, например, к прогнозу изменения геокриологических характеристик основа ний сооружений в регионах с суровым климатом, к обоснованию и экспертным оценкам расчетных и максимальных гидравличе ских расходов водных преград, преодолеваемых транспортными сооружениями, к назначению параметров и конструкции защит ных и регуляционных гидросооружений, к отметкам верха насы пей подходов и к отметкам низа конструкции пролетных строе ний мостов, к конструированию тела мостовых опор и их фунда ментов. Во всех случаях проектные решения в XXI в. должны обеспечивать возможность при реконструкции изменять с мини мальными затратами указанные выше характеристики, своевре менно «отслеживая» растягиваемую на годы и десятилетия реги ональную динамику изменения климата в зоне площадки соору жения.

С развитием вычислительной техники в первую очередь (с конца 1970-х до начала 1990-х гг.) получили распространение системы автоматизированного проектирования конструкций (САПР). А в первых десятилетиях XXI в. системный подход на основе высокоэффективных информационных технологий охватит все этапы создания и развития конструктивных форм со оружений: от начала разработки и проектирования до строитель ства или реконструкции объектов и их содержания в процессе эксплуатации. Такая тенденция не может не повлиять на оценки уровней безопасности различных вариантов технических реше ний, позволит снижением капитальных затрат с избытком ком пенсировать увеличивающиеся затраты на контроль строящихся и эксплуатируемых объектов. Это станет возможным при усло вии пересмотра норм проектирования в сторону принятия более обоснованных коэффициентов надежности, которые для учета возможных отклонений от принятых в проектах статистических закономерностей могли бы не снижаться столь резко по отноше нию к значению 1,0.

То, что не обосновано практикой строительства и его научным обеспечением на базе большого числа измерений, а для новых, внедряемых впервые конструктивных форм и не могло быть обосновано, должно быть спрогнозировано, обнаружено и оцене но системами управления строительством и эксплуатацией (со держанием) сооружений.

В целом можно надеяться, что в условиях «тотального» при менения системного подхода к строительным конструкциям сле дование «принципу безопасности» прибавит смелости во внедре нии в строительство большего числа оригинальных и эффектив ных конструктивных форм для различных классов сооружений.

Если в предаварийных ситуациях свободные (или остаточные при форсированных воздействиях) ресурсы поглощения энергии каждым элементом близки к исчерпанию, в системе могут даже от сравнительно небольших начальных импульсов генерировать ся опасные явления прогрессирующего или «каскадного» на мак роуровнях разрушения за счет выделения сооружением потенци альной энергии и, возможно, за счет импульсного разрушения технологического оборудования, включающего энергоносители.

Понятие «самосохранение» по существу почти эквивалентно по нятию «живучесть», введенному В.В. Болотиным [30] как «спо собность объекта удовлетворять требованиям безопасности, не смотря на отказы или предаварийные воздействия». Ранее термин «живучесть» использовал Н.С. Стрелецкий [139], считавший, что анализ аварий важен для повышения качественности конструк тивной формы, а также для оценки живучести конструкций. По нятие «живучесть» требует комментария, поскольку признаки «живого» — это, скорее, «самосохранение и развитие через само регуляцию». Поэтому введенное здесь понятие «самосохранение»

более конкретно, а функция саморегуляции отнесена к реализа ции «принципа управляемости».

Следование «принципу самосохранения» позволяет отбирать для осуществления проекты сооружений, конструктивные формы которых лучше «выживают» при различных трудно прогнозиру емых авариях, что не исключено в действительности и не может быть исчерпывающе учтено нормами проектирования, спрогно зировано системой управления содержанием сооружения или об наружено при имитационном моделировании сценариев аварий ного поведения объектов строительства.

«Самосохранение» можно рассматривать как способность конструкции сопротивляться «прогрессирующему разрушению»

[6], если выбор групп выключающихся из работы конечных эле ментов подчинить некоторым возможным сценариям развития чрезвычайных ситуаций на объекте. В работе [6] предложен под ход к оценке живучести сооружения (здания), несущие элементы которого проходят в общем случае нелинейный процесс деформи рования, возможно, в зоне высоких температур несущих элемен тов, после аварийного удаления одной из колонн. Для высотных зданий в динамической постановке процесс, связанный с падением и соударением обломков и груза на нижележащие конструкции в результате падения самолета, рассмотрен в докладе [140].

Идея обеспечения ресурса самосохранения не вполне адекват на идее дублирования наиболее ответственных несущих элемен тов: самосохранение — это, прежде всего, качественное, струк турное решение системы, одна из сторон создания высоконадеж ного сооружения. Присутствие избыточных элементов и структур для сооружений определяется, прежде всего, степенями статиче ской неопределимости их конструктивных форм.

Можно построить математическую модель для оценки спо собности конструктивной формы к «самосохранению», если ис ходить из положения, что для строительных конструкций воз никновение состояний, характеризуемых появлением отказов не сущих элементов, связывается с эффектами накопления в них локальных повреждений. Отказ элемента деформируемой систе мы это, прежде всего, изменение уровней внутренней потенци альной энергии элемента, сопровождающееся, как правило, су щественной перестройкой его геометрии [161]. Явление отказа одного элемента или локальной группы элементов приводит к переходу на новый энергетический уровень конструкции в целом.

Такой переход сопровождается развитием перемещений, в том числе и с возбуждением колебаний, скорее всего недопустимых для дальнейшей эксплуатации объекта.

Согласно «принципу управляемости», сооружения как слож ные технические системы могут иметь многочисленный набор средств и устройств, присущих управляемым объектам. Пробле ма только одна: будут ли в действительности достигнуты цели управления ценой не обременительных для проекта дополни тельных затрат на реализацию этих целей? Впервые такой вопрос был комплексно рассмотрен Л.А. Расстригиным 127 на уровне совместного анализа принципов, подходов и методов управления сложными формализуемыми объектами различной физической природы — техническими, технологическими и т.д. Для строи тельных конструкций во второй половине XX в. наибольшая реа лизация достигнута в управлении параметрами напряженно деформированного состояния (НДС) несущих элементов и реак циями связей. При этом наиболее сильной интегральной оценкой управляющего воздействия можно считать изменение внутренней потенциальной энергии деформации конструкций сооружения.

Такое управление определяется 96 как понятие «предвари тельное напряжение конструкций» (ПНК). Можно признать этот вид управления пассивным, поскольку обычно не предусматрива ется развернутой во времени длительной обратной связи между фактическим НДС сооружения и устройствами для регулирова ния внутренних усилий, хотя такие устройства (или их несъем ные элементы) нередко остаются в конструкциях навсегда в стро го фиксированном положении. К ПНК прибегают только на эта пах строительства или реконструкции и не часто — в процессе выполнения ремонтных работ.

Можно отметить, что в общем случае ПНК может принимать формы как пассивного, так и активного управления, включающе го разнообразные приемы искусственного регулирования напря жений в конструкциях для повышения их эффективности. Вме шательство в естественную работу объекта с целью направленно го изменения его потенциальной энергии деформации может происходить на различных этапах цикла формообразования: в процессе изготовления, при монтаже, при эксплуатации или ре конструкции и на различных уровнях структуры конструктивных форм: несущих элементов, узлов их соединений, локальных фрагментов и системы сооружения в целом.

Критериями эффективности применения ПНК могут быть как экономические требования по снижению массы и стоимости со оружений, так и технологические (повышение жесткости, со хранение формы конструкций или отдельных несущих и вспо могательных элементов, изменение динамических характери стик и т.д.). В этом отношении металлические конструкции имеют больше разновидностей и возможностей применения предварительного напряжения, чем железобетонные и сталежеле зобетонные, для которых прием регулирования НДС развился, прежде всего, как одно из средств борьбы с относительно низкой прочностью бетона при растяжении.

Предварительно напряженный железобетон как система с ярко выраженным нелинейным и случайным характером деформиро вания требует очень тонких подходов к управлению напряженно деформированным состоянием для обеспечения надежности, дол говечности и экономичности конструкций.

Во всех случаях на регулирование внутренних усилий в кон струкциях требуются значительные затраты труда. И, как неод нократно доказывала практика эксплуатации различных соору жений, к сожалению, далеко не в последнюю очередь, у мостов существует опасность невосполнимых потерь или нежелательной перестройки наведенного фона внутренних напряжений и реак ций связей вследствие развития длительных процессов в кон струкционных материалах. Поэтому успешное внедрение рацио нальных приемов управления НДС в практику создания совре менных конструктивных форм требует накопления определенного объема опытных и теоретических данных. Одним из направлений использования пассивного управления НДС может служить раз работка предварительно напряженных систем металлических пролетных строений мостов или многопролетных зданий — для перекрытия больших пролетов.

Целями предварительного напряжения строительных кон струкций являются:

экономия материала и средств во вновь возводимых соору жениях благодаря более выгодному распределению в конструк тивных формах силовых факторов, увеличению области упругой работы несущих элементов и широкому использованию деталей из высокопрочных сталей, металлических сплавов, металлокера мики, углепластиков (сейчас и особенно в ближайшей перспек тиве) и не только на растяжение, но и на сжатие [146;

147];

повышение в результате изменения НДС несущей способно сти (в ряде случаев области упругой работы) конструкций, нахо дящихся в эксплуатации, в связи с намечаемым ростом нагрузок или изменением других условий эксплуатации сооружения;

снижение деформативности всей конструкции или отдель ных ее элементов, а также уменьшение амплитуд, изменение ча стот и характера колебаний при действии динамических нагру зок — вследствие перестройки спектра свободных колебаний;

повышение статической и динамической устойчивости (в том числе аэродинамической устойчивости) сооружения или от дельных несущих элементов его конструктивных форм;

благоприятное изменение ряда физико-технических свойств конструкции (например, повышение хладостойкости, увеличение демпфирования) — благодаря своеобразной «тренировке» эле ментов и узловых соединений, сглаживающей пики концентра ции остаточных напряжений, включение в работу элементов с высоким и сверхвысоким поглощением энергии при деформаци ях, для сталей — смещение критических температур хладнолом кости и т.д.;

обеспечение в некоторых случаях удобства монтажа и, в связи с этим, возможное снижение трудозатрат.

В широком смысле напряженное состояние конструкций мо жет пассивно регулироваться различными приемами:

собственно предварительным напряжением новых или экс плуатируемых конструкций с введением специальных напрягаю щих элементов;

частичной разгрузкой или пригрузом системы, в том числе в результате изменения положения внешних связей;

обеспечением пространственной работы конструкции (т.е.

работы в трех геометрических измерениях) с постановкой допол нительных связей;

включением в совместную работу с несущими элементами вспомогательных (ограждающих) элементов, что превращает по следние вследствие совмещения функций в несущие элементы конструктивных форм, придавая им некоторую новизну;

изменением статической схемы конструкции (модификация исходной конструктивной формы или ее направленное преобра зование в новую форму);

изменением условий опорных закреплений, постановкой до полнительных опор, введением временных дополнительных эле ментов.

Рассмотренные выше многообразные направления реализации «принципа управляемости» дают основание полагать, что, по видимому, этот принцип формообразования получит в строи тельных конструкциях XXI в. широкую область внедрения.

Если же в сооружении имеются элементы автоматического регулирования различной природы и сложности, то речь всегда будет идти об активном управлении. В наиболее совершенном виде активное управление использует для регулирования специа лизированные информационно-аналитические системы, выраба тывающие и принимающие решения на основе изучения показа ний датчиков обратной связи, априорной информации и субъек тивных командных воздействий «операторов».

Для линейно-протяженных сооружений наиболее актуальным видом активного управления может стать включение в техниче скую систему, например, висячего моста, управляемых гасителей колебаний, прежде всего, от аэродинамического возбуждения, а для различных зданий и мостов с пролетами до 150…200 м — в первую очередь от сейсмических и других импульсных воздей ствий. Такими гасителями могут стать устройства, избирательно настраивающиеся на определенные формы колебаний сооруже ния и, по возможности, подавляющие их «в зародыше», не до пуская преодоления заданного порога амплитуд.

Экономичность систем активного подавления колебаний определяется уровнем и, прежде всего, «искусством» использо вания следующих важнейших конструктивных идей:

применением в управляемых элементах конструкций или в составе оборудования сооружения материалов (твердых, жидких, сыпучих, расслаивающихся, пластичных, вязких, отделяющихся от системы и т.п.), обладающих свойствами сверхвысокого по глощения (рассеивания) энергии;

разделением крупногабаритных элементов на отсеки с уста новкой специальных емкостей и трубопроводов для организации систем сообщающихся сосудов с управляемыми клапанами или задвижками (одна из идей от судостроения, где применяются различные «успокоители качки»);

установкой и применением специальных аппаратов, изме няющих характер обтекания сооружения воздушным или водным потоком (например, управляемых обтекателей, изменяющих свою ориентацию по отношению к потоку, и, реже, — винтовых или турбореактивных авиационных двигателей, способных со здать турбулентные завесы, что существенно увеличивает аэро динамическое демпфирование сооружения);

использованием конструктивных форм, имеющих односто ронние или переменные связи (в том числе работающие на прин ципах магнитных и электромагнитных полей), работа которых перестраивает спектральные характеристики малых свободных колебаний сооружения или его фрагментов, а при включении та ких связей в работу — увеличивает демпфирование системы при любом уровне амплитуд нелинейных колебаний.

Не исключается применение на наиболее ответственных объ ектах комбинации перечисленных выше идей. Следует обратить внимание на необходимость применения нелинейных математи ческих моделей для описания и корректного анализа колебаний управляемых объектов.

Идеи активного управления колебаниями конструкций (преж де всего строительных) развиваются с 90-х гг. XX в. в работах Н.П. Абовского и его коллег [1—3]. В работе [1] приведена клас сификация методов управления колебаниями конструкций. Ме тоды управления классифицируются на:

пассивные методы (конструктивные, виброизоляция, демп феры);

полуактивные методы (изменение конструктивной схемы в процессе эксплуатации, отбор внутренней энергии системы);

активные методы (создание динамического противодей ствия, использование «вредной» энергии вибрации, перераспре деление внутренней энергии системы).

В работах [2;

3] рассмотрены возможности и преимущества си стемы автоматического управления напряженно-деформированным состоянием (САУ НДС) с использованием искусственных нейрон ных сетей, способных к адаптации и обучению.

Следующий принцип формообразования строительных кон струкций — принцип «композиции конструкционных материалов».

Если конструкция состоит из разнородных материалов, актив но «не помогающих» друг другу, что противоречит «принципу композиции конструкционных материалов», то она не оправды вается и технологически, поскольку для каждого из материалов необходим индивидуальный технологический подход, что при их неэффективном сочетании не отвечает «принципу технологично сти» и не найдет экономического оправдания. Такая эклектиче ская конструктивная форма не прогрессирует, а, скорее, «выми рает», уступая более совершенным в техническом отношении формам.

Например, до сих пор самым уязвимым и технологически сложным остается решение объединения железобетонной плиты проезжей части с главными стальными балками пролетного стро ения автодорожных и особенно железнодорожных мостов.

Не исключено, что уже в ближайшее время наибольшее при менение найдут, например, наиболее совершенные композитные системы пролетных строений мостов, рабочих площадок и пере крытий промзданий, в которых монолитная железобетонная пли та укладывается на остающийся в конструкции и включенный в совместную работу сплошной стальной поддон нового типа или его трехслойные аналоги (системы «железобетон — сталь — же лезобетон») для оболочек в комплексах сооружений других клас сов, например, подземных.

Именно в таких решениях [65—67;

76;

77;

112;

166—169] при использовании для плит и оболочек низколегированных и специ альных сталей и сплавов, современного модифицированного бе тона, возможно, также и фибробетона, «принцип композиции конструкционных материалов» и «принцип технологичности»

будут реализованы с максимальной эффективностью.

Рассмотрим «принцип структурирования»:

Структурирование — это сочетание приемов расчленения си стемы на подконструкции, на расстановку диафрагм, ребер жест кости, распорок, связей;

на создание одно- и многосвязных конту ров поперечного сечения несущих элементов;

в мостостроении — это и включение шпренгелей в состав главных ферм пролетных строений мостов, и формирование кабеля висячей системы из ка натов или прядей вместо его прядения из отдельных проволок. Во всех случаях — это мастерство и искусство проектировщика.

Можно сказать, что уровень владения приемами структуриро вания — важнейший критерий оценки квалификации конструк тора. Более глубокое осознание понятия «структурирование»

приводит к выводу о том, что главная задача генерации структу ры конструктивной формы есть обеспечение необходимой к р и в и з н ы осей, срединных или наружных поверхностей не сущих и вспомогательных элементов и их деталей, в том числе и близкой к нулю кривизны для номинально «прямолинейных» или «плоских» конструкций. Возмущения кривизны определяются следующими факторами:

необходимым присутствием допусков на радиусы кривизны и на габаритные размеры деталей и в целом несущих элементов при их изготовлении, особенно с применением сварки;

неизбежными отклонениями схемы осей смонтированной кон струкции от геометрии, предусмотренной проектом сооружения;

искажениями геометрии сооружения, вызванными реологи ческими процессами в элементах конструкций, в соединениях элементов, во внешних связях и в геомассивах, несущих фунда менты сооружения;

упругими и неупругими локальными деформациями несу щих элементов от постоянных нагрузок и воздействий;

проявлением (для металлических конструкций) геометриче ски нелинейных эффектов дополнительного искривления в изго товленных и собранных в конструкцию «плоских» подкрепленных структурных элементах (в так называемых «ортотропных плитах», преимущественно сжатых вдоль пролета сооружения) от развития общего изгиба конструкции из плоскости таких элементов;

повреждениями несущих элементов во время транспорти ровки, монтажа и эксплуатации конструкций, приводящими к неустранимым искажениям их очертания после восстановления несущей способности.

В качестве примера можно отметить проблемы обеспечения строительного подъема большепролетных арочных мостовых конструкций или трудности достижения качественной сборки большепролетных многоэлементных сетчатых куполов, где с уменьшением кривизны свода или оболочки резко возрастают требования к точности изготовления плоских и, тем более, про странственных монтажных элементов и к точности формирова ния стыковых соединений при навесной сборке.

В этом отношении «классические» ребристые купольные кон струкции структурированы «лучше» (т.е. «глубже») сетчатых [93—95], а сборка ребристых куполов при диаметре основания оболочки более 100 м с соблюдением заданной геометрии менее проблематична.

Применение «принципа структурирования» к созданию кон структивных форм порождает две противоположные тенденции.

С одной стороны, наблюдается усложнение конструкций: иерар хия структуры становится многоуровневой как за счет дополне ния более простых форм-прототипов новыми элементами и свя зями и «поглощения» более простых известных форм, так и за счет синтеза нескольких проверенных практикой конструктивных форм в новую, более сложную систему, позволяющую резко улучшить качественные и количественные показатели сооруже ния в целом. Во всех случаях развитие структуры наиболее раци онально в направлении радиусов кривизны конструкции, после того как простое наращивание высоты поперечных сечений не сущих элементов перестает быть эффективным. Развитие струк туры в направлениях, перпендикулярных радиусам кривизны, но сит подчиненный характер и служит средством повышения про странственной устойчивости конструктивной формы.

Однако, с другой стороны, исторически отслеживается стрем ление к упрощению структуры конструкций за счет удаления «нагромождений» несущих элементов, порождаемых ограничен ными возможностями доступных для применения конструкцион ных материалов, видов соединений и технологических процессов изготовления и монтажа конструкций. Прогресс материаловеде ния и внедрение новых технологий в целом упрощают структуру конструктивных форм, сохраняя и преумножая их полезные свойства и возможности, прежде всего, за счет упрощения струк туры несущих элементов.

«Принцип структурирования» имеет большое значение для со здания более безопасных конструкций, поскольку усложнение структуры, как правило, приводит к локализации разрушения на начальных этапах его проявления [47]. Пока не «прореагировали»

самые малые по размерам сечений уровни структуры, не наблю дается переход разрушения на очередной по масштабу попереч ных сечений и пролету «этаж» конструктивной формы. Разруше ние структурированной системы при специальном выборе пара метров геометрии и прочности несущих элементов растягивается во времени и сопровождается значительным поглощением и рас сеиванием энергии.

Особенно эффективно организованы так называемые фрак тальные, или «дробные», структуры, в которых все геометриче ские уровни подобны с закономерно изменяющимися (в том чис ле и постоянными) при переходе от уровня к уровню коэффици ентами подобия. В последние два десятилетия XX в. стало ясно, что фрактальность в сочетании с симметрией и совокупностью топологических признаков одно из фундаментальных свойств материальных объектов всех уровней [75;

111]. Из глубокой древности известна и, возможно, получит дальнейшее развитие в XXI в. «фрактальная» конструктивная форма арки со сводчатой структурой надарочного заполнения, воспроизведенная в некото рых арочных мостах XVIII—XX вв. В этом отношении конструк торская деятельность людей следует, прежде всего, интуитивно, за природой, используя также определенные достижения такой науки, как бионика.

Примеры недостаточно структурированных конструкций — провисающий канат (кабель) или даже очень длинный растяну тый стержневой элемент, обладающий не только осевой, но и из гибной жесткостью. Моделями таких конструкций в строитель ной механике являются, соответственно, пологие «гибкие» и «жесткие» нити. Кривизны таких элементов весьма неустойчивы при аэродинамическом возбуждении и при действии перемеща ющихся по сооружению временных вертикальных нагрузок. Со здание с участием таких несущих элементов ответственных со оружений возможно только на уровне разнообразных структур, порождающих комбинированные системы.

Большая длина вант в сотни метров в вантово-балочных си стемах при пролетах более 300 м и подвесок в висячих мостах с пролетами более 1200 м негативно сказывается на долговечности таких несущих элементов, рассматриваемых как гибкие нити, и на жесткости пролетных строений, что приводит к вынужденно му усложнению структуры элементов, связывающих главные балки с пилонами или кабелем моста. Эта проблема может быть решена переходом к комбинированным системам, что пока не реализовано в осуществленных проектах висячих мостов сверх больших пролетов, а в мостах вантово-балочных систем сводится к установке между вантами дополнительных растяжек.

Идея «принципа энергомкости» очень проста: чем меньше материал конструкции нагружает себя, тем больше возможностей нагрузить систему полезной нагрузкой и удовлетворить на мини мальном энергетическом уровне все ограничения по прочности, деформативности, устойчивости, в функции которых входят как временные, так и в той или иной форме постоянные нагрузки со оружения.

Представленный критерий формообразования сильнее крите рия минимума веса конструкций, поскольку при одинаковом весе в предварительно напряженной системе могут существовать раз личные варианты внутренних усилий и остаточных напряжений, а среди них — и оптимальный по энергонакоплению. Если напряженное состояние не регулируется, то даже при минималь ном или близком к минимуму весе системы в ней возможно не сколько распределений материала, удовлетворяющих всем огра ничениям, но различающихся по величине накопленной энергии деформации. Это означает, что градиент энергии деформирова ния еще заметен, а градиент функции веса уже практически ис черпан. Такой вывод ведет к заключению, что численные алго ритмы оптимизации по предлагаемому критерию более устойчи вы, чем по весовому. Доказать выпуклость области определения введенного энергетического критерия в общем случае не удается, но известно, что многомерная функция веса может иметь локаль ные экстремумы и быть сколь угодно пологой, в то время как функция потенциальной энергии близка к квадратичной и имеет меньшую пологость.

Представленные соображения продемонстрированы на про стых примерах [161, прил. 4] для однопролтной балки, для той же балки, усиленной шпренгелем и для провисающего каната.

Энергетический критерий имеет математическую формулировку как задача математического программирования — отыскание ми нимума функции внутренней потенциальной энергии деформа ции Uq+r от собственного веса конструкции q и воздействия регу лирования r в области М определения переменных параметров конструкции, заданных вектором Х. Проекции этого вектора — независимые геометрические, силовые, деформационные и иные параметры, формирующие функции ограничений (x), которые выделяют область М. Должна быть решена задача по отысканию глобального экстремума:

minUq+r (Х)x M, где область М определена n условиями вида 0 (i = 1, …, n).

i (x) Вместе с тем, математические модели оптимизации конструк тивной формы по изложенному выше энергетическому критерию могут иметь трудно преодолеваемые неопределенности при учете фактора остаточных напряжений, появляющихся в несущих эле ментах в процессах их изготовления или при возведении соору жения. Косвенно этот фактор можно учитывать в функциях огра ничений, отражающих условия прочности.

«Принципу энергоемкости» можно придать относительный характер, что полезно для оценки «степени совершенства» той или иной конструктивной формы не только для решения какой либо частной задачи проектирования, но и для оценки и сопо ставления уровней разработки конструктивных форм, применяе мых в более широких областях строительных конструкций.


Допустим, что рассматриваемая конструктивная форма в од ном из сочетаний (i-е сочетание из n рассматриваемых) постоян ных нагрузок (q+r) и временных воздействий p имеет минимум отношения i = U q, где U q — полная потенци Uq r r pi r pi альная энергия i-го сочетания. Тогда можно признать наиболее совершенной ту конструктивную форму (j-ю из m рассматривае мых форм), для которой достигается minm minn(ij).

Известны формулировки и реализации принципов, близких к выдвинутому здесь «принципу энергоемкости», содержащих тре бование минимизации потенциальной энергии деформации, накапливаемой от суммы постоянных и временных нагрузок 27.

Однако такой энергетический критерий «расплывается» на от дельные критерии для каждого сочетания постоянных и времен ных воздействий при сохранении всей области ограничений и при некоторой неопределенности набора таких сочетаний.

Нагружение системы «паразитическими» факторами — весом самих же конструкций и усилиями их регулирования с перенесе нием всех временных воздействий в функции ограничений поз воляет оставить один сильный критерий «бесполезной» энерго емкости, позволяющий сравнивать и отбирать при фиксированных пролетах для каждого сооружения различные конструктивные формы и по возможности улучшать каждую из них. Энергетиче ские методы расчета стальных конструкций подробно рассмот рены А.А. Потапкиным 116].

Из рассматриваемого энергетического критерия непосред ственно вытекают известные принципы «концентрации материа лов», «совмещения функций» и «предварительного напряжения», выдвинутые Н.П. Мельниковым 95. С единой энергетической точки зрения становится понятным, почему полезно концентри ровать материал: это полезно лишь настолько, насколько удается понизить конструктивные коэффициенты, определяющие распы ление материальных ресурсов на дополнительные детали, связи, ребра жесткости, стыки и на сколько увеличивается (не всегда) выносливость при циклических деформациях более массивных несущих элементов с пониженным фоном напряжений и их ам плитуд. С другой стороны, при концентрации материала его не которая неустранимая часть может оказаться существенно недо груженной от временных воздействий, что, например, может иметь место в боковых стенках и в днище коробчатых балок мо стов различных комбинированных систем.

«Принцип энергоемкости» вовлекает в конструирование при емы регулирования внутренних усилий. Такие воздействия отне сены к другому, рассмотренному выше, «принципу управляемо сти» — в качестве одного из возможных направлений реализации этого принципа. Для регулирования необходимы дополнитель ные ресурсы, которые оправдываются лишь настолько, насколько они удовлетворяют всей совокупности принципов формообразо вания. Но, прежде всего, затраты на предварительное напряжение конструкций должны приводить к общему снижению материало емкости сооружений, раздвигая границы допустимых геометри ческих, статических и динамических характеристик конструкций при их минимальной энергоемкости.

«Принцип энергоемкости» имеет две особенности своего практического применения. С одной стороны, этот принцип поз воляет улучшать и совершенствовать каждый из рассматривае мых при проектировании или реконструкции вариант технических решений. С другой стороны, «принцип энергоемкости» заставляет сопоставлять между собой и делать более конкурентоспособными различные варианты технических решений, выдвигаемые на ос нове «принципа конкуренции». Эти особенности ярко проявля ются при анализе проектируемых объектов с позиций сформули рованного выше «принципа эстетичности». Высокая (возможно, спорная) эстетичность сооружения нередко приводит к накопле нию в конструкциях большого энергетического потенциала и во многом вследствие этого — к росту стоимости капитальных вло жений и эксплуатационных расходов.

Внутренняя потенциальная энергия деформации может дости гать чрезмерно больших величин в отдельных группах несущих элементов и в случае недостаточного развития структуры кон структивных форм, исключая перераспределение нагрузок и ре акций в объеме большепролетного сооружения. Это негативно влияет на уровень его технической безопасности. Опасна и не обоснованная «миниатюризация» размеров сечений несущих элементов (в том числе толщины их деталей), предлагаемая в проектах без достаточного расчетного и экспериментального обоснования проектного решения в угоду усилению его архитек турных достоинств.

Как правило, конструкторское мышление деградирует, если оно оказывается запертым внутри одной технологии, даже весьма эффективной на определенных этапах своего внедрения. В строи тельстве, как и в машиностроении, в смежных областях техниче ского прогресса решаются, зачастую, близкие задачи, но сдвину тые во времени иногда на десятилетия. Это обстоятельство за ставляет «оглядываться по сторонам», отыскивая кратчайшие пути в решении сложных научно-технических проблем сего дняшнего дня. Именно этого требует «принцип объединения тех нологий».

Достаточно вспомнить «исторические судьбы» внедрения в мостостроение и в целом в строительство новых конструкцион ных материалов и связанных с ними технологических процессов, чтобы убедиться в значимости представленного выше тезиса.

Можно проследить за многочисленными «цепочками» развития конструктивных форм, каждое звено в которых — результат мно голетней деятельности ученых, инженеров и коллективов строи телей и мостостроителей в их числе, причем интересно «блужда ние» новшеств между различными областями строительной ин дустрии и разнообразными классами сооружений [161].

Примерами синтеза строительных технологий могут служить стальные конструкции коробчатых балок жесткости и пилонов вантово-балочных и висячих мостов, а также металлические кон струкции большепролетных балочных мостов, построенных в 1960-е гг. и позже, в которых использованы характерные для ко раблестроения приемы конструирования подкрепленных плит и замкнутых оболочек. Еще один пример — конструкции стальных глубоководных платформ для добычи в морских условиях угле водородов, возводимые на основе творческой переработки опыта строительства высотных сооружений, создания свайных и других сложных фундаментов, резервуаростроения и кораблестроения.

Можно привести также пример большепролетных перекрыва ющих судостроительный эллинг ферм пролетом 120 м с нижним подкрановым коробчатым поясом. В конструкциях таких ферм эффективно пересеклись идеи мостостроения и промышленного строительства.

Интересны примеры разработки и создания мощных башен ных градирен [52;

98] для ТЭЦ и АЭС на основе металлического вантово-балочного несущего каркаса с одним или несколькими пилонами и подвешенными к ним вантами криволинейными бал ками жесткости. По существу — это структуры большепролет ных вантово-балочных мостов, «свернутые» в гигантские замкну тые оболочки. Актуальным направлением реализации «принципа объединения технологий» может стать распространение кон структивных форм, ранее отработанных в промышленном и транспортном строительстве, на конструктивные решения храни лищ радиоактивных и других химических отходов и отработав шего ядерного топлива [66;

67;

167].

Обращение к эффективным техническим решениям, характер ным для сооружений других классов, происходит на этапах со здания конструктивных форм при исчерпании возможностей по иска значимых результатов внутри собственного класса. Для успешного решения проблемы выполнения технологического за каза в таких случаях необходимо хорошее информационное обеспечение проектирования, углубленная многовариантная про работка инженерного проекта, расширение потенциального круга предприятий-изготовителей конструкций и строительных под рядных предприятий, а также преодоление возможных осложне ний патентной защиты новых результатов.

Синтез технологий как принцип формообразования присут ствует в творческом процессе, скорее, на интуитивном уровне.

Однако сейчас, в период бурного прогресса информационных технологий, этот принцип становится, возможно, основным ис точником развития конструктивных форм сооружений.

«Принцип совмещения функций» широко известен проекти ровщикам по трудам ряда крупнейших деятелей отечественной строительной науки: Н.С. Стрелецкого [139], Н.П. Мельникова [95], Е.И. Белени [26]. Можно утверждать, что на этом принципе, ведущем к созданию высокоэффективных конструктивных форм, воспитывалось несколько поколений специалистов, особенно в области металлостроительства.

Ниже рассматриваются возможности расширения областей применения «принципа совмещения функций» с учетом, прежде всего, потребностей современного мостостроения и других от раслей строительства, в которых создаются различные больше пролетные или высотные сооружения [161].

Развитие известных и создание новых конструктивных форм может приводить:

к снижению капитальных вложений в сооружение и к уве личению максимального пролета, перекрываемого сложной кон структивной формой — при совмещении функций несущих и вспомогательных элементов;

значительному снижению стоимости строительства и, воз можно, к ускорению возведения объектов — при совмещении функций несущих элементов и монтажных устройств, включая сложное монтажное оборудование;

снижению капитальных затрат — при совмещении функций несущих, вспомогательных элементов и технологического обору дования;

снижению приведенных затрат — при совмещении в одной новой конструктивной форме сооружения функций нескольких известных форм;

большому экономическому, экологическому и социальному эффекту — при совмещении в одном объекте строительства кон структивных форм нескольких классов сооружений с образова нием сложной технической системы полифункционального назначения.

Можно привести несколько наиболее ярких примеров совме щения функций вслед за примером широко распространенных совмещенных мостов (прежде всего, мостов для одновременного пропуска железнодорожного, вообще — рельсового, и автомо бильного транспорта).

Пример удачного совмещения функций несущих и ограждаю щих элементов демонстрируют различные одно- и двухпоясные мембранные оболочки из тонколистовой стали [95], при больших пролетах усиленные стержневыми элементами, закрепляемыми на каркасах (опорных контурах) и образующими растянутые открытые поверхности или замкнутое пространство. Потенци альные возможности таких конструктивных форм не исчерпали себя в сооружениях XX в., и в будущем можно ожидать появле ние и реализацию смелых проектов с крупномасштабными мем бранами, создаваемыми на основе новейших конструкционных материалов и их композиций.

Следующий пример — пилоны, кабели и подвески висячих мостов, пилоны, канаты (или пучки параллельных проволок) ван товых мостов, являющиеся опорными конструкциями и связями для монтажа узлов висячей системы и балки жесткости. Кроме того, уже смонтированная часть балки жесткости может служить для доставки к месту монтажа еще не установленных ее монтаж ных секций [22;

23]. Эта технология монтажа альтернативна к сборке балок висячих и вантовых мостов с помощью мощных плавучих кранов. В свою очередь, балки жесткости висячих мо стов, изготовленные со значительным использованием высоко прочных сталей, могут брать на себя часть распора многокабель ной висячей системы. Такая конструктивная форма может быть предложена для перекрытия сверхбольших пролетов.

Еще один пример — трубопроводы, успешно работающие на изгиб при надземной прокладке как многопролетные неразрезные балки и одновременно изолирующие от внешней среды жидкий или газообразный транспортируемый продукт. Однако переход от балочной конструкции к системе типа жесткой нити оказался не удачным. В начале 1960-х гг. в СССР были построены несколько трубопроводных мостов для транспортировки газа с трубами диаметром от 114 до 273 мм и с толщиной стенок от 4 до 8 мм в качестве провисающих нитей пролетами до 350…400 м [141].

Такая конструктивная форма оказалась крайне чувствительной к аэродинамическому возбуждению. Слабыми зонами трубопрово да всегда оказывались его участки у вершин пилонов. Имели ме сто аварии (разрыв труб) как при монтаже, так и в период эксплу атации таких мостов. «Провисающий самонесущий трубопровод»

не получил инженерного признания.

Тем не менее, несколько иная, но близкая идея использует совмещение функций кабелей вертикальных и пространственной ветровой систем, а также объединение очерченного по вогнутой кривой трубопровода с кабелем пространственной висячей си стемы и плавный отвод труб вниз к пилонам, начиная примерно от четверти пролета. Такое конструктивное решение может ока заться весьма плодотворным для нового поколения висячих тру бопроводных мостов с главными пролетами до 1000 м и более.

Еще один пример — разработанная в ЦНИИПроектсталькон струкция им. Н.П. Мельникова конструктивная форма подкрано во-подстропильной фермы, в которой коробчатая подкрановая балка превращена в нижний пояс фермы перекрытия промыш ленного здания. Эти системы нашли применение в конструкциях каркасов зданий металлургических заводов (например, в г. Маг нитогорске) и судостроительного эллинга, а также в каркасах зданий заводов металлоконструкций (например, в г. Белгороде и в г. Молодечно, Республика Беларусь). По замыслу проектиров щиков, в данном случае достигается комплексный эффект за счет отказа от дополнительных колонн, увеличения размеров рабочих зон в промышленном здании и улучшения показателей цикла ра боты металла подкранового нижнего пояса ферм на выносли вость благодаря увеличению доли НДС от постоянной нагрузки.

Историческими примерами совмещения в одном объекте функций, выполняемых сооружениями различного назначения (или различных классов), могут служить так называемые «обита емые» мосты, в средние века и позже распространенные в Европе и частично сохранившиеся и даже эксплуатируемые до сих пор.

Это крытые каменные или даже деревянные надводные сооруже ния, служившие не только для пропуска пешеходов, гужевого (конного) транспорта, скота, но и разместившие в себе предприя тия торговли и другие важные для общества объекты и учрежде ния. Наиболее выдающийся пример такого сооружения – мост рынок Rialto в Венеции (Италия) [194]. Арочный мост (пролетом 28,8 м со стрелой подъема 6,4 м, шириной 22,1 м с проходом 7 м) построен в 1588—1592 гг. из мрамора по конкурсному проекту архитектора Antonio da Ponte.

По-видимому, все рекорды многофункциональности должны принадлежать Большому Каменному (первоначально Всесвят скому) мосту в Москве (проект Ягана Кристлера из Страсбурга 1643—1644 гг.;

схема пролетов моста: 7 х 28,4 м — арки, плюс два береговых пролета;

ширина моста 28 м). Строительство моста началось 36 лет спустя после разработки проекта — с 1682 г. и велось до 1687 г., когда мост был завершен лишь «вчерне».

Окончательно стройка закончилась уже при Петре I — в 1692 г.

Мост был разобран в 1857 году. История этого инженерного со оружения хорошо известна отечественным мостостроителям по трудам Г.П. Передерия [114] и П.В. Щусева [194]. Мост [113, с.

14—16, фигура 12] «…на правом берегу … имел огромную башню с двумя верхами и шестью воротами. У быков построены были мельницы с плотинами и сливными порогами. На самом мосту… стояли палаты, табачная таможня и пивной двор. Находились также деревянные лавки со «щепетным товаром». В башне нахо дились Корчемная палата и тюрьма. Под ними — кабак».

Возникает ли сейчас потребность вернуться к идее «обитаемо сти» мостовых сооружений? Ответ на этот вопрос — положи тельный, что подтверждается новейшей историей московских мостов. Так, к концу 2000 г. Москва имела три пешеходно торговых (или торгово-пешеходных) моста через р. Москва — мост «Багратион» и два моста с арочными пролетными строени ями — у Киевского вокзала и на Фрунзенской набережной, пере строенные и перемещенные, бывшие в применении с начала XX в. мосты Московской окружной железной дороги. Помимо ука занных выше, «обитаемым» вполне можно признать совмещен ный мост-метро в Лужниках, включающий станцию метрополи тена «Воробьевы горы».

«Совмещение функций» особенно полезно при объединении в одних элементах признаков несущих и вспомогательных частей конструкции. Не обсуждая абсолютной рациональности этого приема с позиций других принципов формообразования, способ ных проявить недостатки такого синтеза, можно отметить, что совмещение функций обеспечивает значительное снижение веса большепролетных конструкций и одновременно понижает потен циальную энергию деформаций от постоянных нагрузок. Это яр ко демонстрируют, например, конструктивные формы мембран ных покрытий или технические решения цилиндрических или каплевидных резервуаров для разнообразных жидких продуктов.

Антиподом приема «совмещение функций» при конструиро вании не в полной мере является подход к конструированию, ос нованный на «разделении функций» между несущими элемента ми или между несущими и вспомогательными элементами. Раз деление функций, как правило, порождает утяжеленные (т.е.

более энергоемкие) технические решения, но зато может обеспе чить высокую технологичность, включая и лучшую ремонтопри годность конструктивной формы. Прием «разделения функций»

по своей сути ближе к рассмотренному выше «принципу струк турирования», поскольку усложнение структуры по своей сути разделяет функции сопротивления конструкции нагрузкам и воз действиям. Но при этом «разделенные» по обеспечению прочно сти или устойчивости несущие элементы могут в то же время совмещать, например, технологические и ограждающие (вспомо гательные) функции.

Смысл «органического» единения, слияния замыслов архитек тора и возможностей конструктора раскрывается в реализации компромисса между вытекающей из притязаний архитектора по требностью в усложнении конструкций и допустимыми с точки зрения проектировщика возможностями строительных материа лов и технологий. Одинаково плохо и когда об архитектуре забы вают вовсе, и когда она заставляет чрезмерно увеличивать или неоправданно и крайне нерегулярно дробить пролеты моста, применять недопустимо дорогостоящие материалы, игнорировать климатические, гидрологические или сейсмологические условия площадки строительства.

Связь и закономерности отношений между конструктивными и архитектурными формами стали в XX в. предметом анализа многих ученых и инженеров [19;

69;

70;

201].

При создании монументальных скульптурных композиций инженеры-проектировщики должны строго следовать «предна чертаниям» архитекторов и не выходить за пределы отведенных ими областей для элементов несущего каркаса скульптуры. Один из современных выдающихся примеров такого сотрудничества — реставрация монумента В.И. Мухиной «Рабочий и колхозница», для которого был создан новый стальной каркас [135;

145].

В мостостроении с увеличением пролета сооружений умень шается область достижения компромисса между архитектурой и инженерией, причем, скорее всего, требования инженера начи нают доминировать, поскольку резко снижается выбор и возмож ности модификации конструктивных форм, способных решить поставленную задачу преодоления сложной преграды.

С другой стороны, возрастание характерных абсолютных раз меров сооружений выводит объекты из области установившихся и свободно воспринимаемых людьми архитектурных масштабов.

Тем не менее, в поле творчества архитекторов остается достаточ но направлений для коррекции инженерного решения.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.